CN116937325B - 一种光束频率控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光束频率控制系统，涉及光学器件领域，包括：光源、分光光学元件、反射组件、电光相位调制器、原子气室和探测组件，反射组件包括总固定型反射组件和总控制型反射组件，控制型反射组件包括第一控制型反射组件、第二控制型反射组件、第三控制型反射组件和第四控制型反射组件，总控制型反射组件的状态包含第一控制状态和第二控制状态，根据总控制型反射组件的状态生成对应的第一光路和第二光路，第一光路和第二光路分别通过原子气室的相对两端输入原子气室中，探测组件对原子气室进行光电探测，得到第一探测光谱，根据不同状态下获取到的探测光谱，得到信息丰富且准确的目标光谱进行光束频率控制，提高光束频率控制的准确率。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件领域，特别是涉及一种光束频率控制系统。
背景技术
在一些前沿科学研究领域，都要求半导体激光器窄线宽输出，一般会通过稳频装置进行调制以确保半导体激光器窄线宽输出。现有的调制方法中包括频率调制光谱方法（Frequency Modulated Spectroscopy，FMS）和调制转移光谱方法（Modulation TransferSpectroscopy，MTS），MTS能够提供稳定的光谱输出，但只对一部分原子吸收线有效，而FMS能够提供更全面的原子吸收线信息，但其光谱输出的基线抖动较大。
因此，如何在保证光谱质量的同时为光束频率控制提供更丰富的信息，进而提高光束频率控制的准确率成为了亟待解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明实施例提供一种光束频率控制系统，所述控制系统包括：
光源、分光光学元件、反射组件、电光相位调制器、原子气室和探测组件。
所述反射组件包括固定型反射组件和控制型反射组件。
所述总固定型反射组件包括第一固定型反射组件、第二固定型反射组件、第三固定型反射组件、第四固定型反射组件和第五固定型反射组件。
所述总控制型反射组件包括第一控制型反射组件、第二控制型反射组件、第三控制型反射组件和第四控制型反射组件。
其中，所述光源的发射光束通过所述分光光学元件分成第一子光束和第二子光束，所述控制型反射组件的状态包含第一控制状态和第二控制状态。
当所述总控制型反射组件的状态为第一控制状态时，所述第一子光束依次通过所述第一控制型反射组件、所述第一固定型反射组件、所述电光相位调制器和所述第三控制型反射组件生成第一光路，所述第二子光束依次通过所述第三固定型反射组件、所述第五固定型反射组件生成第二光路。
当所述总控制型反射组件的状态为第二控制状态时，所述第一子光束通过所述第四固定型反射组件生成第一光路，所述第二子光束依次通过所述第三固定型反射组件、所述第二控制型反射组件、所述第二固定型反射组件、所述电光相位调制器和所述第四控制型反射组件生成第二光路。
第一光路和第二光路分别通过所述原子气室的相对两端输入所述原子气室中。
所述探测组件对所述原子气室进行光电探测，得到第一探测光谱，所述第一探测光谱为光束频率控制提供控制数据。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明实施例提供的光束频率控制系统，以第一控制状态下的系统，也即采用FMS的系统，进行第一探测光谱的获取，对第一探测光谱进行随机遮挡后重构，得到重构光谱，计算重构光谱和第一探测光谱的相似度，以用于表征第一探测光谱的基线预测难度，当基线预测难度较高时，说明此时FMS得到的第一探测光谱不够可靠，将系统内的第一控制状态切换为第二控制状态，也即采用MTS进行第二探测光谱的获取，根据第一探测光谱和第二探测光谱相结合，得到信息丰富且准确的目标光谱进行光束频率控制，提高光束频率控制的准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光束频率控制系统在第一控制状态下的结构框图；
图2为本发明实施例提供的光束频率控制系统在第二控制状态下的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种光束频率控制系统，应用于半导体激光器实验研究场景下，如图1所示，系统可包括：光源1、分光光学元件5、反射组件、电光相位调制器2、原子气室3、探测组件4和处理器。
反射组件可包括总固定型反射组件和总控制型反射组件。
总固定型反射组件包括第一固定型反射组件6、第二固定型反射组件7、第三固定型反射组件8、第四固定型反射组件9和第五固定型反射组件10。
总控制型反射组件包括第一控制型反射组件11、第二控制型反射组件12、第三控制型反射组件13和第四控制型反射组件14。
光源的发射光束通过分光光学元件分成第一子光束和第二子光束。
控制型反射组件的状态包含第一控制状态和第二控制状态。
当总控制型反射组件的状态为第一控制状态时，第一子光束依次通过第一控制型反射组件11、第一固定型反射组件6、电光相位调制器2和第三控制型反射组件13生成第一光路，第二子光束依次通过第三固定型反射组件8、第五固定型反射组件10生成第二光路。
当总控制型反射组件的状态为第二控制状态时，第一子光束通过第四固定型反射组件9生成第一光路，第二子光束依次通过第三固定型反射组件8、第二控制型反射组件12、第二固定型反射组件7、电光相位调制器2和第四控制型反射组件14生成第二光路，如图2所示。
第一光路和第二光路分别通过原子气室的相对两端输入原子气室中。
探测组件对原子气室进行光电探测，得到探测光谱。
处理器用于执行计算机程序以实现如下步骤：
S1，使用经训练的预测模型对第一探测光谱A1进行基线预测，得到预测基线数据B1；
S2，对B1进行随机遮挡，得到遮挡数据C；
S3，使用经训练的重构模型对C进行数据重构，得到重构数据D；
S4，计算C和D的相似度E=dis(C，D)，其中，dis()为预设的相似度函数；
S5，在E小于预设相似度阈值F时，将控制型反射组件的状态由第一控制状态切换为第二控制状态，重新获取第二探测光谱A2；
S6，根据A1和A2，确定真实基线数据B2；
S7，根据B2，对A1进行基线校正，得到目标光谱A3；
S8，根据A3，对光源对应的激光器进行光束频率控制。
其中，光源可以提供输入光束频率控制系统的光束，在本实施例中，光源可以是单频激光器，需要说明的是，光源通常需要进行分光处理，也即通过另一分光光学元件得到主光束和分光束，分光束即为输入光束频率控制系统的光束，分光束的功率为1~10mW，具体可根据原子吸收池中的原子种类确定，原子吸收池中的原子可为现有的适用于稳频调节的原子。
分光光学元件5可为偏振分光棱镜，偏振分光棱镜可以将输入的光束分为s光和p光，s光表示垂直偏振光，p光表示平行偏振光，s光和p光都是参考偏振分光棱镜的入射平面定义的。
反射组件可为高反射率反射镜，电光相位调制器2可为铌酸锂波导型电光相位调制器，根据子光束形成调制光信号，调制光信号为近于纯净的相位调制光，铌酸锂波导型电光相位调制器的半波电压仅为不到5V，工作范围为DC-300MHz，易于驱动且可调节范围大，器件整体体积小，而且采用光纤连接的形式，便于光路的集成化和小型化，其次采用了光纤连接的方式其入射光的角度得到了很好的控制，而器件本身也进行了偏振控制从而避免了激光偏振起伏带来的影响，因此经过调制后泵浦光中的剩余幅度调制成分可以控制得很好。
原子气室3中设置有金属原子，用以分别接收第一光路和第二光路，以形成输出信号，由探测组件对原子气室的输出信号进行光电探测，得到探测光谱。
在一具体实施方式中，第一控制状态包括：第一控制型反射组件为第一角度，第二控制型反射组件为第二角度，第三控制型反射组件为第一角度，第四控制型反射组件为第三角度。
在一具体实施方式中，第二控制状态包括：第一控制型反射组件为第二角度，第二控制型反射组件为第四角度，第三控制型反射组件为第三角度，第四控制型反射组件为第四角度。
在一具体实施方式中，第一角度为发射光束的角度逆时针旋转45°。
在一具体实施方式中，第二角度为发射光束的角度顺时针旋转90°。
在一具体实施方式中，第三角度为发射光束的角度。
在一具体实施方式中，第四角度为发射光束的角度顺时针旋转45°。
具体地，参见图1和图2，将图1中由5射向11的光线视作水平射线，或将图2中由5射向9的光线视作水平射线，发射光束可以视作由1射向5的发射射线，发射光束的角度可以是指水平射线绕其端点旋转以使得旋转后的水平射线与发射射线同向的最小角度，在本实施例中，发射光束的角度为90°，第三角度与发射光束的角度相同；将发射射线绕其端点逆时针旋转45°，得到第一射线，第一角度即为水平射线绕其端点旋转以使得旋转后的水平射线与第一射线同向的最小角度，在本实施例中，第一角度为45°；将发射射线绕其端点顺时针旋转90°，得到第二射线，第二角度即为水平射线绕其端点旋转以使得旋转后的水平射线与第二射线同向的最小角度，在本实施例中，第二角度为180°；将发射射线绕其端点顺时针旋转45°，得到第四射线，第四角度即为水平射线绕其端点旋转以使得旋转后的水平射线与第四射线同向的最小角度，在本实施例中，第四角度为135°。
相应地，第一控制型反射组件为第一角度，可以是指第一控制型反射组件所在的第一平面与第一射线平行；第二控制型反射组件为第二角度，可以是指第二控制型反射组件所在的第二平面与第二射线平行；第三控制型反射组件为第一角度，可以是指第三控制型反射组件所在的第三平面与第一射线平行；第四控制型反射组件为第三角度，可以是指第四控制型反射组件所在的第四平面与发射射线平行。
同理，第一控制型反射组件为第二角度，可以是指第一控制型反射组件所在的第一平面与第二射线平行；第二控制型反射组件为第四角度，可以是指第二控制型反射组件所在的第二平面与第四射线平行；第三控制型反射组件为第三角度，可以是指第三控制型反射组件所在的第三平面与发射射线平行；第四控制型反射组件为第四角度，可以是指第四控制型反射组件所在的第四平面与第四射线平行。
第一探测光谱A1可表示为A1=[A11，A12，…，A1i，…, A1I]，A1i可以是指第i个采样点对应的光谱信号幅值，预测基线数据B1可表示为B1=[B11，B12，…，B1i，…, B1I]，B1i可以是指第i个采样点对应的基线幅值，i的取值为1到I的整数。
经训练的预测模型可以包括第一编码器和第一解码器，第一编码器可用于提取探测光谱的特征信息，输入为A1，输出光谱特征Y1，第一解码器可用于将光谱特征重构为预测基线数据，输入为Y1，输出为B1。
预测模型的训练过程可以通过已知基线数据的参考光谱作为第一训练样本，相应地，参考光谱对应的基线数据作为第一训练标签，将第一训练样本输入预测模型中，得到预测结果，根据预测结果和第一训练标签进行损失函数的计算，根据所计算的损失函数对预测模型的参数进行调整，直至损失函数收敛，得到经训练的预测模型，在本实施例中，损失函数可以采用均方误差损失函数。
随机遮挡可以采用随机采样的方式，也即随机生成[1,I]范围内的整数，得到生成数，对生成数对应的基线幅值进行遮挡，遮挡可以采用替换预设字符x的方式，例如生成数为1，则遮挡数据C=[x，B12，…，B1i，…, B1I]。
经训练的重构模型可以包括第二编码器和第二解码器，第二编码器可用于提取遮挡数据C的特征信息，输入为C，输出遮挡特征Y2，第二解码器可用于将遮挡特征重构为重构数据D，输入为Y2，输出为D。
预测模型的训练过程可以通过对已知基线数据进行随机遮挡，以遮挡结果作为第二训练样本，相应地，基线数据自身作为第二训练标签，将第二训练样本输入重构模型中，得到重构结果，根据重构结果和第二训练标签进行损失函数的计算，根据所计算的损失函数对重构模型的参数进行调整，直至损失函数收敛，得到经训练的重构模型，在本实施例中，损失函数也可以采用均方误差损失函数。
重构数据D可表示为B1=[D1，D2，…，Di，…, DI]，Di可以是指第i个采样点对应的重构幅值。
相似度E可用于表征C和D之间的差异程度，预设相似度阈值F可以用于衡量重构数据D的重构准确率，相似度函数可以采用欧式距离、曼哈顿距离、余弦相似度等距离度量函数。
第二探测光谱A2可表示为A2=[A21，A22，…，A2i，…, A2I]，真实基线数据B2可表示为B2=[B21，B22，…，B2i，…, B2I]，目标光谱A3可表示为A3=[A31，A33，…，A3i，…, A3I]。
具体地，根据A2中的非零幅值可以得到第一范围，提取第一范围在A1中对应的第一子数据，提取第一范围在A2中对应的第二子数据，计算第一子数据和第二子数据的差值即可得到第一范围在B2中对应的第三子数据，根据第三子数据采用多项式拟合的方式得到B2，目标光谱A3可以为A3=A1-B2。
进一步地，在随机生成[1,I]范围内的整数时，采用依次生成的方式，生成次数表示为z，各个整数的生成概率为r/(I-z)，其中，r为调整权重，r=1-e^(-ut)，t为对应整数与最接近的生成数之间差值的绝对值，u为超参数，在本实施例中设置为0.2，采用本实施例方式能够使得随机遮挡尽可能均匀分布，以避免出现重构难度过大的遮挡数据。
在一具体实施方式中，相似度函数为余弦相似度函数。
其中，余弦相似度函数计算得到的相似度值域范围为[-1,1],相似度越接近1，说明用于计算的C和D之间的差异程度越小，相似度越接近-1，说明用于计算的C和D之间的差异程度越大，相应地，预设相似度阈值F在本实施例中设置为0.5，实施者可以根据实际情况调整该预设相似度阈值F。
在一具体实施方式中，光束频率控制采用PID控制算法。
本实施例中，初始以第一控制状态下的系统，也即采用FMS的系统，进行第一探测光谱的获取，对第一探测光谱进行随机遮挡后重构，得到重构光谱，计算重构光谱和第一探测光谱的相似度，以用于表征第一探测光谱的基线预测难度，当基线预测难度较低时，说明此时FMS得到的第一探测光谱足够可靠，因此可以直接采用得到的第一探测光谱进行光束频率控制，而当基线预测难度较高时，说明此时FMS得到的第一探测光谱不够可靠，将系统内的第一控制状态切换为第二控制状态，也即采用MTS进行第二探测光谱的获取，根据第一探测光谱和第二探测光谱相结合，得到目标光谱，从而在任意噪声影响下，均能够提供信息丰富且准确的目标光谱进行光束频率控制，进而提高了光束频率控制的准确率。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员还应理解，可以对实施例进行多种修改而不脱离本发明的范围和精神。本发明公开的范围由所附权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种光束频率控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
光源、分光光学元件、反射组件、电光相位调制器、原子气室、探测组件和处理器；
所述反射组件包括总固定型反射组件和总控制型反射组件；
所述总固定型反射组件包括第一固定型反射组件、第二固定型反射组件、第三固定型反射组件、第四固定型反射组件和第五固定型反射组件；
所述总控制型反射组件包括第一控制型反射组件、第二控制型反射组件、第三控制型反射组件和第四控制型反射组件；
其中，所述光源的发射光束通过所述分光光学元件分成第一子光束和第二子光束，所述总控制型反射组件的状态包含第一控制状态和第二控制状态；
当所述总控制型反射组件的状态为第一控制状态时，所述控制系统为采用频率调制光谱方法FMS的系统，其中，所述第一子光束依次通过所述第一控制型反射组件、所述第一固定型反射组件、所述电光相位调制器和所述第三控制型反射组件生成第一光路，所述第二子光束依次通过所述第三固定型反射组件、所述第五固定型反射组件生成第二光路；
当所述总控制型反射组件的状态为第二控制状态时，所述控制系统为采用调制转移光谱方法MTS的系统，其中，所述第一子光束通过所述第四固定型反射组件生成第一光路，所述第二子光束依次通过所述第三固定型反射组件、所述第二控制型反射组件、所述第二固定型反射组件、所述电光相位调制器和所述第四控制型反射组件生成第二光路；
第一光路和第二光路分别通过所述原子气室的相对两端输入所述原子气室中；
所述探测组件对所述原子气室进行光电探测，得到探测光谱；
所述处理器用于执行计算机程序以实现如下步骤：
S1，获取所述总控制型反射组件的状态为第一控制状态时的第一探测光谱A1，使用经训练的预测模型对A1进行基线预测，得到预测基线数据B1；
S2，对B1进行随机遮挡，得到遮挡数据C；
S3，使用经训练的重构模型对C进行数据重构，得到重构数据D；
S4，计算C和D的相似度E=dis(C，D)，其中，dis()为预设的相似度函数；
S5，在E小于预设相似度阈值F时，将所述总控制型反射组件的状态由所述第一控制状态切换为所述第二控制状态，重新获取第二探测光谱A2；
S6，根据A1和A2，确定真实基线数据B2；
S7，根据B2，对A1进行基线校正，得到目标光谱A3；
S8，根据A3，对所述光源对应的激光器进行光束频率控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一控制状态包括：所述第一控制型反射组件为第一角度，所述第二控制型反射组件为第二角度，所述第三控制型反射组件为第一角度，所述第四控制型反射组件为第三角度。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二控制状态包括：所述第一控制型反射组件为第二角度，所述第二控制型反射组件为第四角度，所述第三控制型反射组件为第三角度，所述第四控制型反射组件为第四角度。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一角度为所述发射光束的角度逆时针旋转45°。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第二角度为所述发射光束的角度顺时针旋转90°。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第三角度为所述发射光束的角度。
7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第四角度为所述发射光束的角度顺时针旋转45°。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相似度函数为余弦相似度函数。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光束频率控制采用PID控制算法。
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Citations (7)
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| 采用铷原子射频频率调制光谱与调制转移光谱对 １５６０ｎｍ 激光经波导倍频至７８０ｎｍ 进行稳频的比较;韩亚帅 et al;《光学学报》;全文 * |
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